麻城—團風斷裂的空間展布及對擬建滬渝蓉高鐵合武段的工程影響

周孝鑫

(中鐵第四勘察設計研究院集團有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

擬建滬渝蓉高鐵是一條連接我國東西部地區客運的交通要道,是中國“八縱八橫”高速鐵路客運通道中“沿江通道”的重要主線部分[1],其中合武段橫穿大別山脈。受到華北、華南塊體近剛性阻擋,研究區擬建線路附近新構造活動復雜且強烈,地震分布較多。

擬建滬渝蓉高鐵合肥至武漢段于鄂皖兩省內近東西走向,而麻城—團風斷裂帶在鄂東北內呈NE-SW向展布,于麻城市閻家河鎮黃土咀境內相交(圖1)。由于線路穿越麻城—團風斷裂帶的位置被第四紀沉積物廣泛覆蓋,對該斷裂空間分布及性質未形成統一認識。此外,根據相關研究資料顯示,研究區附近曾發生1932年黃土崗6級地震,斷裂帶第四紀以來仍具活動性[2-3]。在鐵路新線勘測設計中,活動斷裂帶的勘測和評價問題是鐵路選線的重要控制因素之一[4],麻城—團風斷裂的活動性對滬渝蓉高鐵合肥至武漢段的線位確定具有重要控制作用,因此厘清麻城—團風斷裂空間分布及其對擬建線路工程的影響具有重要意義。本文擬通過野外地質測繪、物探、鉆探等多種勘測手段,對麻城—團風斷裂的結構、空間展布及其活動性對擬建滬渝蓉高鐵合武段的工程影響進行深入地探討研究,為擬建滬渝蓉高鐵合武段的設計和建設提供建議,并為類似的鐵路工程選線和勘測提供借鑒。

圖1 研究區區域地震構造圖Fig.1 Seismotectonic map of the study area

1 麻城—團風斷裂特征

麻城—團風斷裂也稱商城—麻城—團風斷裂(以下簡稱“麻團斷裂”),北起河南商城附近的達權店,向南經麻城、團風,消失于咸寧一帶,長約240 km,寬約2～5 km[5-9],是分割桐柏—大別斷塊的邊界構造帶,并與桐柏斷塊、大別斷塊共同構成該區域的地震孕震構造系統,是一條規模大、控巖、控盆并具多期活動的強變形帶[6,10](圖1)。位于麻團斷裂NW方向的萬義—龍井斷裂、鷹尖山—古洞寺斷裂為麻團斷裂帶的分支斷層,斷裂具有與主干斷層一致的活動性。1932年麻城6級地震正是發生在鷹尖山—古洞寺斷層上,作為同一斷裂系統,其深部應受到麻團斷裂帶的控制作用[2]。

麻團斷裂總體走向NNE,由于延伸遠,受邊界、巖性條件限制,具明顯的分段特征,其最顯著的分段點為黃土咀,該處斷裂南北的傾向和斷裂性質完全不同。根據相關的地質研究資料[7-13]、幾何特征及活動性質,麻團斷裂大致可以分為三段:

(1) 南段:為團風以南段,規模較大,且在團風附近與NW向的襄樊—廣濟大斷裂復合。麻團斷裂南段也稱為梁子湖斷裂,由幾條NE向斷層組成。地貌上斷裂兩側陡坎反差鮮明,東側為丘陵,西側為河湖低崗地。陡坎處玄武巖中發育NNE 向和NNW 向共軛斷裂系統,反差鮮明,可見淺棕黃色黏土楔狀條塊充填于兩條斷層中,斷面鏡面擦痕、擦槽明晰,均顯示斷裂早第四紀具活動性。

(2) 中段:為黃土咀—團風段,延伸長約75 km。斷裂中段構成新洲盆地和麻城盆地的東邊界。在地貌上,斷裂東側為山地,主要由古元古界大別山群變質巖組成,形成斷階狀多級臺地;西側為平原,主要由新生代地層組成,斷裂呈NNE 走向彎曲展布,僅在麻城南局部呈現凸出的弧形。斷裂帶傾向NWW,局部地段傾向E,傾角約在50°～75°,斷裂在剖面上呈現陡傾,斷面較為平直。斷裂面可見硅化破碎帶與壓碎巖帶,局部地段斷層泥發育。該段斷裂具有正層斷性質,兼具右旋走滑分量。

(3) 北段:為商城—麻城黃土咀段,相對南段規模較小,并在黃土咀附近分為東西兩支。其中,東支經三河水庫、獅子峰到達金剛山東麓;西支經劉家河延伸至商城以北,在平面上斷裂帶構成“Y”型分布。麻團斷裂北段東支同南段具有相同的傾向SE,傾角70°以上,沿斷裂破碎帶寬數十米至百米以上。其北段西支傾向SEE,傾角60°左右,具有逆沖性質,破碎帶達百余米。其中西支是斷裂帶的主體部分,延至商城一帶,與東秦嶺緯向構造帶南支主干斷裂—桐柏—磨子潭大斷裂相交。

線路穿越麻團斷裂帶位置在黃土咀以北的袁家村,屬于麻團斷裂樞紐位置偏北段。斷裂在黃土咀以北主體斷裂傾向SEE具有逆沖性斷裂,黃土咀以南傾向NWW具有正斷層性質。因北段和中段斷層性質差異巨大,其對擬建線路工程影響相差甚遠,因此本研究需進一步厘清研究區麻團斷裂的性質和具體空間展布。

2 麻團斷裂展布位置厘定

2.1 勘察方法

本次研究根據前期規劃設計線路與麻團斷裂大致位置,確定了野外重點研究區范圍(圖2),通過開展野外地質調查,初步了解區域地質條件。在為研究隱伏斷裂展布特征,在研究區東部基巖區丘陵,西部平原區的地貌條件下,采用淺層地震勘探的物探和工程地質鉆探驗證的方法,在平行線路兩側各布置一條物探測線,并沿線路布設一排鉆孔,通過解譯獲取斷裂展布位置和鉆孔聯合剖面驗證,綜合確定斷層在與線路相交處的精確位置。

圖2 研究區勘察工作布置Fig.2 Layout of the geological exploration of the study area

2.2 野外調查

為查明研究區麻團斷裂地表出露情況,本次野外調查共收集有效地質點37個(圖2)。調查結果顯示,研究區麻團斷裂以閻家河為分界,地貌東部為基巖中低山、丘陵區,西部為第四系覆蓋層和紅層盆地區。斷層東側中低山、丘陵區標高為90～500 m,西側盆地區標高為50～70 m,兩側標高相差極大。因斷層切割形成的斷層三角面成排展布,斷層線性特征清晰。擬建線路與斷裂相交處為山間河流階地地貌。斷裂被河流第四系層覆蓋,具有一定的隱伏性。其中,可見斷裂活動跡象地質觀測點MC03、MC12共2個點,具體如下:

(1) MC03:該地質觀測點位于棗林灣以北的鮑家鋪,出露一套長約80 m的基巖剖面,地層巖性為片麻巖。受構造影響,基巖中發育大量的破碎帶和小的分支斷裂,地層雜糅,斷層面清晰,可見明顯的破碎帶,帶寬約1 m。破碎帶成分主要為擠壓破碎的片麻巖,未見泥質和硅質膠結物,較松散,手掰易碎(圖3)。這表明該處曾遭受較強烈的地質構造運動,基巖在地殼應力的作用下發生擠壓破碎。

圖3 地質點MC03野外斷層露頭Fig.3 Fault outcrop at the geological observation point MC03

(2) MC12:該地質觀測點位于擬建線位北側約1.5 km處的上夏家河,地層巖性為花崗質片麻巖,風化嚴重。受構造影響,地質剖面上發育的方解石脈透鏡體明顯被斷層錯斷,發育1條斷層,斷層面見明顯擦痕,肉眼可見發育黑云母礦物。該斷層走向為200°～230°,斷層傾向120°,傾角70°(圖4),屬于逆斷層,但是逆沖量較小,推測為麻團斷裂的支斷層。

圖4 地質點MC12野外斷層露頭Fig.4 Fault outcrop at the geological observation point MC12

綜合野外地質調查,研究區麻團主斷裂被第四系層覆蓋,但受麻團斷裂構造作用影響,斷裂帶兩側巖體中不同程度發育小型斷層,斷層破裂帶不寬,延伸長度有限,揉皺擠壓作用強烈,擦痕明顯,發育方解石脈,巖體整體呈破碎狀,未見明顯的膠結和泥化。

2.3 淺層地震勘探

淺層地震勘探作為隱伏斷裂探測廣泛應用的手段之一,主要用于了解測區內主要斷裂構造、破碎帶分布情況,以及第四系、強風化層的厚度與分布情況[14-15]。為進一步確定麻團斷裂在研究區的具體空間展布,研究區內布設了DZ01和DZ02兩條淺層地震勘探測線,長度超過2 km(圖2)。測線按照設計要求布設,采用地震反射法的多次覆蓋技術。測線道間距為5 m,檢波器100 Hz,接收道數24道,24磅重錘激發,覆蓋次數6次,采樣間隔0.5 ms,勘探深度不小于50 m。

通過數據處理,獲得了疊加時間剖面,利用地震反射波法剖面同相軸的連續性識別斷層和起伏基巖面。結果如下:

(1) DZ01剖面測線東起于楊家灣路口水塘東頭,西至下柳林北,位于擬建線位北側約300 m,長1 207.5 m(圖2、圖5)。DZ01測線剖面上,均存在一組振幅較強、連續性較好的反射波同相軸,第一組反射波同相軸與第四系土層底板相對應,反射波同相軸基本由兩個相位構成,相位數目變化不大;該剖面上中深部存在1組較為連續的反射波同相軸,位于測線180 m處。同時,測線剖面上于340 m和測線983 m處的反射波同相軸存在錯斷或迅速減弱現象。綜合淺層震探解譯結果和野外調查結果分析,推測于測線180 m處存在1條年代較老斷裂,為花崗巖和混雜巖體的分界面;于測線剖面于340 m和983 m處存在2個年代較新斷層。測線剖面范圍內基巖面起伏較大,于測線東西兩端覆蓋層厚度相對較淺,最淺處僅幾米,而在測線剖面中段的閻家河,覆蓋層厚較大,達25～34 m(圖5)。

圖5 DZ01測線地震深度剖面及解譯地質剖面Fig.5 Seismic depth profile and geological profile for interpretation of DZ01

(2) DZ02測線剖面東起于下袁家山坡腳,西至閻家河西岸S206省道邊,位于擬建線位南側約100 m處,長957.5 m(圖2、圖6)。DZ02測線剖面上,均存在一組振幅較強、連續性較好的反射波同相軸。反射波同相軸與第四系土層底板相對應,基本由兩個相位構成,相位數目變化不大。反射波于測線319 m處同相軸存在一個錯斷或迅速減弱現象,于測線尾端根據深部同相軸也存在錯斷或迅速減弱現象。

圖6 DZ02測線地震深度剖面及解譯地質剖面Fig.6 Seismic depth profile and geological profile for interpretation of DZ02

結合野外調查結果分析,推測于測線319 m處發育一條斷層,并于測線尾端推測發育另一條斷層。根據淺層震探解譯結果,該測線基巖面起伏形態顯示東段較淺,僅幾米,而在河道中心附近較深,覆蓋層厚度較大,厚度為24～30 m。

綜合區域地質資料,麻團斷裂在研究區域內表現東西兩支特征,東支兩側巖性不同,為1條年代較老的斷裂;西支為麻團斷裂主體,由兩條性質一致的斷裂組成,相距600～700 m,錯斷巖性一致。

2.4 鉆孔聯合剖面

工程鉆探也是研究隱伏斷裂的有效方法之一,能揭露一定深度的地層巖性、分布、斷錯等特征,進而確定斷層位置[14]。為進一步確定麻團斷裂在研究區斷層寬度和破碎帶范圍,根據淺層地震勘探結果和擬建工程布置形式,在物探測線解譯的斷點附近跨斷層布設了1排鉆孔,選取了距離斷裂帶較近且具有代表性的13個鉆孔揭示地層巖芯進行對比分析(圖7)。

圖7 聯合鉆孔工程地質剖面圖Fig.7 Geological engineering profile with combined boreholes

根據西側Jz-閻橋38和Jz-閻橋37兩個鉆孔顯示,表層花崗質片麻巖以下地層單元相同,表明花崗質片麻巖以下黑云斜長片麻巖均未受外界的擾動而缺失,其高程能真實地反映其地層分布位置。鉆孔巖芯顯示,Jz-閻橋38鉆孔黑云斜長片麻巖的高程為67 m,底部揭示厚度約2 m破碎帶,而Jz-閻橋37鉆孔的黑云斜長片麻巖的高程為52 m,底部也揭示了厚約2 m破碎帶,兩者之間高差約15 m。在上覆地層較為完整的背景條件下,兩個鉆孔平面距離僅48 m,均質的變質巖地層高差巨大且均揭示破碎帶,表明兩個鉆孔之間發育一個斷層單元,錯斷了兩側的地層(圖7),這與淺層地震勘探解譯結果基本吻合。

綜上,鉆孔Jz-閻橋38及Jz-閻橋37之間存在一個傾向SE且斷裂活動狀態為逆沖的斷面,斷裂兩側的錯斷高差達15 m。綜合區域地質資料、淺層地震勘探解譯成果和鉆孔揭示情況,麻團斷裂帶在研究區傾向仍處于沿NE走向的過渡區,斷層性質具有明顯逆沖性。

根據東側鉆孔和Jz-閻橋31X鉆孔的巖芯揭示,該處地層自上而下依次為細砂、粗砂和黑云斜長片麻巖,相較于鉆孔Jz-閻橋31-1東側黑云斜長片麻巖頂層較其西側巖層面高不少于5 m,且缺失了花崗質片麻巖。分析認為,東側表層花崗質片麻巖地層因外力作用被剝離,且鉆孔Jz-閻橋31-1與Jz-閻橋31X之間地層發生過垂直運動導致兩側地層發生了相對位移變化,推斷該處發育斷層面,傾向SEE,具有逆沖性。

位于Jz-閻橋27東側的鉆孔Jz-閻橋22巖芯揭示缺失花崗質片麻巖地層(圖7)。該處黑云斜長片麻巖頂面相對于其西側的黑云斜長片麻巖頂層高差大于5 m,分析認為該套地層受外力作用被剝掉,兩個鉆孔之間發育一條斷層,傾向SE,具有逆沖性。

綜合麻團斷裂區域性質,根據物探解譯成果和鉆探揭示情況,鉆孔Jz-閻橋38與Jz-閻橋37之間的斷層為麻團斷裂帶的西支,是麻團斷裂帶向NE方向延伸的主要斷裂分支;鉆孔Jz-閻橋31-1與Jz-閻橋31X之間的斷層為西支斷裂的分支;鉆孔Jz-閻橋27與Jz-閻橋22之間的斷層為麻團斷裂帶年代較老的東支延伸。

3 麻團斷裂工程影響

3.1 斷裂在擬新建線路上的空間展布

綜合研究區內的野外調查、淺層地震勘探和鉆孔聯合剖面的解譯結果,麻團斷裂帶與擬建線路相交位置共發育3條隱伏斷裂,分別如下:

(1) 沿閻家河西側分布1條NNE向斷裂,為麻團斷裂北段西支,即麻團斷裂的向NE方向延伸斷裂主體部分;

(2) 沿閻家河東側袁家山腳下分布1條NNE向斷裂,其斷錯性質與前者一致,但錯動程度弱于前者,同屬麻團斷裂北段西支,為閆家河西側公路處主干斷裂的1條分支斷裂;

(3) 閻家河東側袁家山山地中另分布1條NE向斷層,其斷錯性質與前二者均不同,活動年代相對久遠,為麻團斷裂北段年代較老的東支斷裂。

綜上,斷裂與擬建線路相交處麻團斷裂分為東西兩個分支,主體為逆沖斷層,明顯呈麻團斷裂北段特征,表明麻團斷裂與擬建線位相交處仍屬于該斷裂的北段。

3.2 斷裂活動性

針對麻團斷裂的活動性,前人已做了大量的研究[2-3,5-13],麻團斷裂活動性對工程的影響可不考慮年代較老的北段東支斷裂,主要以西支斷裂為主。通過野外調查表明麻團斷裂曾經有過活動,但活動很不均勻,且斷裂活動強度較低,整體呈中段相對較強,北段較弱的特征,未發現晚更新世以來活動斷裂造成地表破壞的證據。工程物探和工程鉆探成果顯示3條斷層均斷裂深部片麻巖帶,在第四系地層中未發現明顯的斷錯或斷裂破碎帶證據,初步認為斷裂帶全新世以來活動性較弱。

已有地震地質調查研究表明[2,5,15-16],麻城黃土崗6級地震發震構造為鷹尖山—古洞寺斷裂,麻團斷裂在深部與發震構造鷹尖山—古洞寺斷裂形成鏟式正斷層組合,主斷面為麻團斷裂。麻團斷裂可能在深部控制了鷹尖山—古洞寺斷裂的構造運動模式,但1932年麻城6級地震并未使麻團斷裂淺部發生活動。盡管研究區周緣共發生2次破壞性地震,分別為1913年麻城5級地震,1932年麻城黃土崗6級地震,但是近20年以來區域內沒有出現大于5級的地震,而大于4級的地震也僅出現了4次,證明斷裂已經或正逐漸趨于平靜(圖8)。

圖8 1970年5月到2021年4月麻團斷裂區域的M-T震級序列圖Fig.8 M-T seismic sequence of the Macheng-Tuanfeng fault from May 1970 to April 2021

再結合相關麻團斷裂第四紀活動性的研究資料[2-3,5-13],黃土咀以北麻團斷裂帶內發育的構造巖表明晚第四紀以來活動不明顯;黃土咀以南麻團斷裂中段獲得的斷層物質ESR年齡為(404±45) ka B.P.和(324±30) ka B.P.,證明斷裂中段在中更新世有明顯活動,晚更新世具有弱活動性[6,9-11];而斷裂北段活動性弱于中段,北段活動性在第四紀中更新世或之前,晚第四紀活動不明顯[2,7]。

根據《活動斷層探測》規定[17],麻團斷裂北段的活動時間早于定義活動斷裂的距今12萬年。因此,綜合認為麻團斷裂北段為非活動斷裂。

3.3 工程應對措施

麻團斷裂中段活動時代為中更新世中晚期,北段的活動性在第四紀中更新世或之前,其活動概率較小,但考慮到該地區1932年曾發生麻城黃土崗6級地震,震中距研究區直線距離僅14.2 km,仍需考慮區域地震危險性。結合以上研究分析結果,麻團斷裂屬于非活動斷裂,擬建線路無需采取避讓措施。但是為了確保擬建線路安全,仍需考慮斷裂具有發生6級左右地震的構造條件,建議采取抗震措施[17]。根據《中國地震動參數區劃圖》,線路與麻團斷裂的交匯部位為Ⅶ度區[18];根據《建筑工程抗震設防分類標準》中規定[19],高速鐵路干線為重點設防類建筑物,按照高于本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強抗震措施,即按照Ⅷ度區采取抗震設防措施。同時,建議在該區域內建立地震預警系統,加強對地震監測和斷層的位移監測,為擬建高速鐵路運行提供實時安全保障。

4 結論

擬建滬渝蓉高鐵合肥至武漢段與麻團斷裂于麻城黃土咀附近正交,詳細收集了相關地質研究文獻影像資料,開展了野外地質調查、淺層地震勘探以及工程鉆探等工作,最終厘定了麻團斷裂與線路相交的準確位置,并結合已有研究資料確定了斷裂性質和活動性,給出了對應施工措施建議,得出以下幾點認識:

(1) 麻團斷裂性質具有分段特征,黃土咀為斷裂北段和中段分界處,擬建線路與麻團斷裂相交區域位置為斷裂北段與中段過渡位置。研究區麻團斷裂性質明顯與北段吻合,仍屬于北段的一部分;具東、西2條不同活動時期分支的特征,由3條斷裂組成,均為隱伏狀態,最西支為麻團斷裂帶北段西支主斷裂,中間一支為主斷裂的分支斷裂,東支不同于前二者為麻團斷裂帶北段東支年代較老的斷裂;

(2) 麻團斷裂為中更新世中晚期斷裂,晚更新世以來趨于穩定,斷裂北段活動時代為中更新世或之前,活動性較弱,對擬建高速鐵路工程影響較小,但麻團斷裂具有發生6級左右地震的深部構造背景和地震地質構造條件,需按照Ⅷ度區采取抗震設防措施,并在該區域內建立地震預警系統,加強對地震監測和斷層的位移監測。